基于LabVIEW軟件的磁通測量上位機(jī)和下位機(jī)設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u18000第1章基于LabVIEW2018軟件的上位機(jī)設(shè)計(jì) 1166591.1設(shè)計(jì)目標(biāo) 1161181.2繪制思維導(dǎo)圖 2102941.3永磁電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子表磁測量系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 3315921.1.1用戶登錄模塊設(shè)計(jì) 3281411.1.2選項(xiàng)卡設(shè)計(jì) 4182371.1.3模擬信號的設(shè)計(jì) 523411.1.4信號采樣與數(shù)據(jù)處理 6308681.1.5導(dǎo)出數(shù)據(jù)至EXCEL 8283501.1.6總邏輯設(shè)計(jì) 821259第2章下位機(jī)設(shè)計(jì) 10218132.1USB數(shù)據(jù)信號采集器 10305152.2數(shù)據(jù)采集軟件 12140072.3固定與位移裝置 14第1章基于LabVIEW2018軟件的上位機(jī)設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)目標(biāo)首先在開始設(shè)計(jì)之前，需明確測量磁通、采集的過程：因此對于軟件設(shè)計(jì)而言需要完成的目標(biāo)有如下幾點(diǎn)：用戶登錄模塊頁面布局的選項(xiàng)卡設(shè)計(jì)模擬信號的生成和參數(shù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的采集和處理報(bào)表的導(dǎo)出LabVIEW開發(fā)時(shí)具有良好的開放性，他通過調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫的方式，共享其他軟件開發(fā)平臺(tái)的程序代碼和資源。目標(biāo)設(shè)計(jì)的儀器系統(tǒng)，需要配套的技術(shù)和設(shè)備少，因此設(shè)計(jì)成本低，同時(shí)提高了工作效益。整套檢測儀器只需要配備普通的PC機(jī)、A/D卡，并配合機(jī)械部分使用。在后續(xù)的使用過程中如果需要進(jìn)行修改與完善時(shí)不需要更改其他硬件，只需要對檢測的程序進(jìn)行升級換代或者重新編寫，可以適應(yīng)于新式檢驗(yàn)方法、標(biāo)準(zhǔn)或者不同類型的產(chǎn)品的檢驗(yàn)需要。本測試系統(tǒng)的用戶主界面，系統(tǒng)測試，用戶起止、統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示以及三維圖像的顯示等功能菜單組成。用戶可以根據(jù)自身需求調(diào)節(jié)檢測位置控制系統(tǒng)的檢測；統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示可以將整個(gè)檢測過程的永磁體磁通量準(zhǔn)確顯示；三維圖成像功能可以將三軸的磁通量繪制成圖，進(jìn)行進(jìn)一步的研究分析。系統(tǒng)測試主要通過卡盤帶動(dòng)的永磁體轉(zhuǎn)動(dòng)，用固定好的特斯拉計(jì)進(jìn)行測量，可以對永磁體的X軸、Y軸、Z軸分布測量，根據(jù)結(jié)果顯示在用戶界面設(shè)計(jì)的X/Y/Z三軸顯示屏上。1.2繪制思維導(dǎo)圖基于以上設(shè)計(jì)目標(biāo)，將三維圖模塊作為設(shè)計(jì)的主VI，用阿爾泰科技的USB數(shù)據(jù)采集器所嵌入LabVIEW2018的ART采集模塊作為子VI，再輔以循環(huán)模塊作為程序的重復(fù)使用功能，設(shè)計(jì)了如圖3-1的思維導(dǎo)圖。圖3-1思維導(dǎo)圖本設(shè)計(jì)將以登錄模塊作為程序起點(diǎn)、設(shè)計(jì)有登錄的用戶名與密碼，符合后可開始操控程序，進(jìn)行各個(gè)模塊的調(diào)用、主函數(shù)模塊包括有X/Y/Z的顯示控件，負(fù)責(zé)輸出信號采集的波形，同時(shí)設(shè)計(jì)了選項(xiàng)卡包含了：測試路徑、三維圖路徑、數(shù)據(jù)處理模塊；測試路徑，通過設(shè)計(jì)邏輯結(jié)構(gòu)，由布爾按鈕控制程序的運(yùn)行和終止，三個(gè)方向的測試由各自的按鈕控制，設(shè)置相應(yīng)的觸發(fā)狀態(tài)，可以由人為控制；數(shù)據(jù)處理模塊，將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)組中，交由LabVIEW2018軟件的控件進(jìn)行Excel表格的導(dǎo)出，便于日后的分析研究；1.3永磁電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子表磁測量系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)本程序以“LabVIEW2018”作為開發(fā)平臺(tái)，有前面板界面和后面板程序框圖兩部分組成，軟件開發(fā)過程的設(shè)計(jì)思路以模塊化、層次化并層層推進(jìn)的思路，輔以子VI技術(shù)，將程序分解為主程序、登錄模塊、啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、緊急停止等模塊，每個(gè)模塊對應(yīng)1個(gè)或多個(gè)VI，在這些功能模塊中，將主程序的模塊設(shè)為頂層VI，以main.vi命名[12]，作為軟件執(zhí)行的入口，剩余每個(gè)功能模塊依次組成次頂層VI，主程序模塊與其他次頂層VI之間有著先后執(zhí)行的次序關(guān)系，自頂層main.vi開始，依次執(zhí)行，層層調(diào)用不同的子VI，實(shí)現(xiàn)預(yù)定先后的操作順序。本次開發(fā)，將逐步完成子VI的開發(fā)，先對X/Y/Z三軸的測試程序開發(fā)，然后匯總至主VI中，最終結(jié)果中不包含子VI調(diào)用，將通過后面板事件結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)不同的觸發(fā)條件，將預(yù)先開發(fā)的子VI復(fù)制進(jìn)觸發(fā)事件中，如開發(fā)過程中有技術(shù)性問題，可以在子VI中修改，再導(dǎo)入主VI，避免修改操作時(shí)出現(xiàn)人為操作失誤從而影響主VI的建立和運(yùn)行。1.1.1用戶登錄模塊設(shè)計(jì)為了保護(hù)自主的知識產(chǎn)權(quán)，提高設(shè)計(jì)程序的安全性，將運(yùn)用數(shù)學(xué)邏輯，對軟件的運(yùn)行進(jìn)行加密，設(shè)計(jì)有指定的用戶名和密碼，輸入正確后，方可開始程序運(yùn)行，否則無法運(yùn)行程序；本設(shè)計(jì)運(yùn)用了數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，在LabVIEW2018的后面板的“對話框與用戶界面”面板找到提示用戶輸入的控件，同時(shí)，在比較中運(yùn)用“=”控件，將用戶名與“=”上接線端連接，在下接線端處，添加常量，改為所設(shè)計(jì)的用戶名，同時(shí)添加條件結(jié)構(gòu)，將“=”的輸出端與條件連接，作為觸發(fā)，在條件結(jié)構(gòu)中同樣運(yùn)用“=”控件，將條件結(jié)構(gòu)外的“密碼”與上接線處連接，下接線端設(shè)計(jì)密碼常量；再在條件結(jié)構(gòu)中套用條件結(jié)構(gòu)，添加字符串常量“登錄成功”，最后再條件結(jié)構(gòu)外添加“單對話框”作為反饋，同時(shí)添加“與”結(jié)構(gòu)，單對話框的按鈕與用戶名密碼全部符合后，進(jìn)行對主程序面板的觸發(fā)，設(shè)計(jì)的程序“用戶登錄.vi”后面板如圖所示：核驗(yàn)，正確即觸發(fā)密碼用戶名用戶初始化界面圖3-2用戶登錄模塊核驗(yàn)，正確即觸發(fā)密碼用戶名用戶初始化界面1.1.2選項(xiàng)卡設(shè)計(jì)為了優(yōu)化界面層次，清晰地顯示每個(gè)功能所在位置，需要設(shè)計(jì)選項(xiàng)卡，將測試模塊、三維圖模塊、數(shù)據(jù)處理模塊，放置在三個(gè)選項(xiàng)中，可以有效地解決前面板示波器冗雜，便于操作和記錄。三項(xiàng)選擇在后面板添加選項(xiàng)卡模塊，在前面板添加三個(gè)示波器，方式測試模塊，添加三維曲線，放置在三維圖模塊、最后的數(shù)據(jù)模塊添加數(shù)組，同時(shí)添加布爾按鈕—確認(rèn)按鈕，分別以其功能命名，便于后期進(jìn)行觸發(fā)設(shè)計(jì)與邏輯完善，選項(xiàng)卡前面板如下圖所示：三項(xiàng)選擇布爾按鈕圖3-3選項(xiàng)卡設(shè)計(jì)布爾按鈕本模塊暫時(shí)設(shè)計(jì)如圖所示的幾個(gè)布爾按鈕，后期根據(jù)設(shè)計(jì)要求再進(jìn)行添加，顯示卡左上三個(gè)模塊，可以隨時(shí)點(diǎn)擊切換。1.1.3模擬信號的設(shè)計(jì)在LabVIEW2018中選用仿真信號控件如圖所示，設(shè)置為正弦信號，考慮到測試過程中有地磁場和其他設(shè)備干擾，在控件中選擇干擾，考慮到在相對干擾磁場不變的情況下，選擇均勻白噪聲作為模擬干擾，設(shè)置合適的干擾強(qiáng)度，模擬測試時(shí)的永磁體磁通量?？紤]到永磁體X、Y軸的磁通量變化量不會(huì)太大，故選擇用直線波模擬，輔助以模擬干擾，大致模仿出實(shí)際操作時(shí)所測出的磁通量值；Z軸對于永磁體磁通來說變化量是較大的，總體來說成中間小、兩邊高的情況，故選用余弦波模擬，同樣輔助以模擬環(huán)境磁場的均勻干擾；根據(jù)轉(zhuǎn)子的磁通量特性可知，X/Y軸方向，磁通量總體呈直線分布，Z軸方向呈正弦分布，故設(shè)計(jì)三個(gè)模擬信號，作為三個(gè)方向的信號輸入，此功能可以運(yùn)用LabVIEW自帶的模擬信號可以進(jìn)行模擬輸出，在后面板的波形-模擬波形-生成波形-模擬波形，放置三個(gè)信號源，雙擊進(jìn)行設(shè)置，設(shè)計(jì)兩個(gè)直線波形，設(shè)置偏移值為60，作為模擬，設(shè)置為連續(xù)生成；另一個(gè)選擇正弦波，設(shè)置幅值20，偏移值60，作為Z軸的信號，模擬波形可以根據(jù)需要，進(jìn)行頻率、幅值、相位，設(shè)置完畢后，將信號與示波器連接，用示波器反應(yīng)動(dòng)態(tài)的信號變化，設(shè)置的面板，如下圖所示：圖3-4直流模擬信號圖3-5正弦模擬信號配置過程中，可以考慮到環(huán)境因素的影響，添加噪聲，添加一定的噪聲幅值作為模擬環(huán)境磁場，模擬出真實(shí)測試時(shí)的有干擾的信號。1.1.4信號采樣與數(shù)據(jù)處理配置完模擬信號后，將進(jìn)行對信號的采集和數(shù)據(jù)處理，采集模塊，可以通過后面板-統(tǒng)計(jì)，將模擬信號作為輸出，統(tǒng)計(jì)模塊作為輸入，讀取模擬信號的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計(jì)模塊設(shè)計(jì)計(jì)算信號的最值、算數(shù)平均、標(biāo)準(zhǔn)差，可以實(shí)時(shí)顯示信號的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的輸出類型為一維數(shù)組，為了便于統(tǒng)一處理，將三個(gè)軸的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)匯總到一個(gè)數(shù)組中，進(jìn)行輸出。由于是動(dòng)態(tài)數(shù)組，普通的調(diào)用只能進(jìn)行靜態(tài)數(shù)組調(diào)用，故選擇專用的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理器，通過該處理器創(chuàng)立新的數(shù)值顯示控件，作為靜態(tài)調(diào)用，數(shù)據(jù)類型為靜態(tài)數(shù)組，然后通過創(chuàng)建數(shù)據(jù)的“值屬性引用”，作為調(diào)用，用“創(chuàng)立新的數(shù)組”將三軸的值調(diào)用，創(chuàng)立新的數(shù)組，運(yùn)用控件“數(shù)據(jù)導(dǎo)入”，進(jìn)行觸發(fā)，釋放按鈕時(shí)，三軸數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)組模塊，在選項(xiàng)卡的第三項(xiàng)中查看采樣點(diǎn)的數(shù)值，可根據(jù)所設(shè)置的采集點(diǎn)，調(diào)節(jié)數(shù)組的長度，選項(xiàng)卡內(nèi)容如圖所示：按鈕控件采樣波段數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)導(dǎo)出數(shù)據(jù)圖3-6數(shù)據(jù)處理模塊按鈕控件采樣波段數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)導(dǎo)出數(shù)據(jù)1.1.5導(dǎo)出數(shù)據(jù)至EXCEL為了保存數(shù)據(jù)，便于后期的研究，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊:首先創(chuàng)建報(bào)表、添加表格至報(bào)表，設(shè)置行首、列首，數(shù)據(jù)段連接、調(diào)用1.1.4創(chuàng)立報(bào)表的屬性結(jié)點(diǎn)，添加至數(shù)據(jù)源，同時(shí)通過創(chuàng)立布爾按鈕“導(dǎo)出報(bào)表”，通過點(diǎn)擊觸發(fā)事件，再根據(jù)自身要求滿足采集任務(wù)的情況下，按下1.1.4的“數(shù)據(jù)導(dǎo)入”將數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)組，再按下導(dǎo)出按鈕，系統(tǒng)將自動(dòng)生成EXCEL表格，可根據(jù)個(gè)人需求，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與保存。設(shè)計(jì)的程序保存在“導(dǎo)出數(shù)據(jù)至EXCEL.vi”。1.1.6總邏輯設(shè)計(jì)根據(jù)功能要求設(shè)計(jì)了1.1.1——1.1.5的功能模塊，下面進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，使各個(gè)模塊鏈接起來，形成一個(gè)完整的模塊：首先，用戶登錄模塊，設(shè)計(jì)了條件模塊，觸發(fā)事件是“用戶名與密碼”輸入，輸入正確后由此進(jìn)行測試端，所以測試端需要運(yùn)用一個(gè)大的條件結(jié)構(gòu)，事件為“輸入正確”，因?yàn)樾枰M(jìn)行多次測試，所以程序運(yùn)行需要設(shè)計(jì)成連續(xù)的模式，在條件結(jié)構(gòu)中嵌入“While”循環(huán)，將設(shè)計(jì)的功能模塊全部導(dǎo)入While循環(huán)中，因?yàn)楣δ苣K較多，實(shí)際操作時(shí)部分功能不用，所以需要根據(jù)測試要求，自我選擇使用，故各個(gè)功能模塊都需要使用條件結(jié)構(gòu)，觸發(fā)事件都由按鈕控制，最終設(shè)計(jì)邏輯的程序框圖如圖所示：表格導(dǎo)入用戶登錄圖3-7后面板程序框圖截取1表格導(dǎo)入用戶登錄表格導(dǎo)出圖3-8后面板程序框圖截取2表格導(dǎo)出前面板最終設(shè)計(jì)也如下圖所示：圖3-9前面板最終設(shè)計(jì)運(yùn)行過程綜下所述：點(diǎn)擊左上角運(yùn)行按鈕，彈出輸入界面，輸入設(shè)置的用戶名和密碼，進(jìn)入面板，點(diǎn)擊開始測試按鈕，觸發(fā)三個(gè)布爾按鈕，下面根據(jù)實(shí)際操作，選擇測試路徑，波形圖會(huì)呈現(xiàn)在相應(yīng)的顯示控件上，可以按下停止測試，隨時(shí)終止程序，測試完畢后，按下測試數(shù)據(jù)，選擇選項(xiàng)卡第三項(xiàng)，查看采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)段的算數(shù)平均值、標(biāo)準(zhǔn)差，需要導(dǎo)出報(bào)表的，按下“導(dǎo)出報(bào)表”可以生成EXCEL文件，保存路徑由個(gè)人需要決定。第四章下位機(jī)設(shè)計(jì)2.1USB數(shù)據(jù)信號采集器數(shù)據(jù)采集（Dataacquisition）是利用一種裝置，將實(shí)體的外部信號采集，通過硬件將信號轉(zhuǎn)化，傳輸至PC端的功能模塊。常見的溫度、位移、水壓、壓強(qiáng)等數(shù)據(jù)可以通過傳感器、測試電纜后，轉(zhuǎn)換為電訊號的各種物理量。采集的信號也可以是由程序生成的模擬量。信號采集通過單點(diǎn)采樣的方式，以一定的周期、頻率重復(fù)測量。采集的數(shù)據(jù)大多是瞬時(shí)值，或?yàn)槟扯螘r(shí)間內(nèi)的一個(gè)特征值，采集數(shù)據(jù)首先需要保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要避免和減少人為誤差。本設(shè)計(jì)采集器采用的是阿爾泰科技的USB3016款信號采集器如圖4-1所示。圖4-1USB3106數(shù)據(jù)采集器其模擬量輸入、模擬量輸出、數(shù)字量、計(jì)數(shù)器的性能如圖4-2顯示[10]：圖4-2USB3106采集器性能2.2數(shù)據(jù)采集軟件采集軟件運(yùn)用的是USB3016開發(fā)公司阿爾泰科技的DMC管理系統(tǒng)，其軟件按照旗下產(chǎn)品開發(fā)，可以與LabVIEW軟件無縫銜接，設(shè)備接入PC端后，會(huì)在管理目錄下生成相應(yīng)的采集器控件，可以控制輸入、輸出、計(jì)時(shí)器、和接口的功能。USB3106數(shù)據(jù)采集器的下位機(jī)數(shù)據(jù)采集器，輸入輸出的系統(tǒng)如圖4-5所示：圖4-3USB3016輸入輸出虛擬系統(tǒng)輸入輸出通道的說明：模擬輸入通道的功能是指使用使用各種傳感器測量不同的物理現(xiàn)象如電壓、電流、溫度、濕度等。輸入通道類型取決于傳感器以及測量現(xiàn)象的類型。在連接設(shè)備后可以通過采集器調(diào)諧成電壓信號輸入DMC控制面板。模擬輸出通道：阿爾泰科技的DAQ系統(tǒng)支持生成兩種類型的信號，電流信號和電壓信號，可以高低電平的設(shè)置，對示波器等作出觸發(fā)反饋。數(shù)字輸入/輸出通道—對于數(shù)字通道，可創(chuàng)建基于線和基于端口的數(shù)字通道?；诰€的通道可包含設(shè)備一個(gè)或多個(gè)端口的一條或多條數(shù)字線。讀取或?qū)懭牖跀?shù)字線的通道不會(huì)影響硬件上的其他數(shù)字線?？蓪⒁粋€(gè)端口中的數(shù)字線在多條通道中使用，并在一個(gè)或多個(gè)任務(wù)中同時(shí)使用這些通道，但是某條通道中的線必須全是輸入線或輸出線。另外，任務(wù)中的所有通道必須是輸入通道或輸出通道。有些設(shè)備還規(guī)定端口中的線必須都是輸入線或輸出線。關(guān)于設(shè)備的詳細(xì)信息，請查閱設(shè)備文檔?；诙丝诘耐ǖ辣硎驹O(shè)備上的一組數(shù)字線。讀取或?qū)懭攵丝趯⒂绊懚丝谥械乃袛?shù)字線。端口中所有線的數(shù)量（端口寬度）是一個(gè)硬件參數(shù)，通常從8線到32線不等。USB3106數(shù)據(jù)采集器的模擬輸入通道有8通道和16通道兩種，采樣率從I1105分擁末從16h到12b2.輸入電壓范圍為+10v0成t1V,有各通道同步和通道復(fù)用的。定時(shí)采樣的功能：阿爾泰科技的DAQ的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)引入了采樣定時(shí)類型的概念。每種定時(shí)類型都是激勵(lì)信號生成的不同方式。通過“定時(shí)”函數(shù)/VI選擇采樣定時(shí)類型。也可通過屬性設(shè)置下列采樣定時(shí)類型：按要求—每次讀取或?qū)懭牒瘮?shù)/VI執(zhí)行時(shí)，設(shè)備盡快生成所需的采樣。在該模式下，采樣質(zhì)量屬性被忽略。按需采集是一種軟件定時(shí)。

采樣時(shí)鐘—產(chǎn)生各個(gè)采樣的數(shù)字邊沿。幾乎所有的設(shè)備都有一個(gè)專門的板載時(shí)鐘用于周期性產(chǎn)生這些邊沿。當(dāng)時(shí)鐘源不是專用的板載時(shí)鐘時(shí)，邊沿可能是非周期性的。即使邊沿是非周期性的，仍需使用采樣時(shí)鐘定時(shí)。